分化過程の染色体4D情報

2016 年度 実績報告書

• 研究領域: 染色体オーケストレーションシステム
• 研究課題/領域番号: 15H05976
• 研究機関: 東京大学
• 研究代表者: 白髭 克彦 東京大学, 分子細胞生物学研究所, 教授 (90273854)
• 研究分担者: 永江 玄太 東京大学, 先端科学技術研究センター, 特任講師 (10587348) ; 岡田 由紀 東京大学, 分子細胞生物学研究所, 准教授 (60546430)
• 研究期間 (年度): 2015-06-29 – 2020-03-31
• キーワード: ゲノム / 発現制御 / 生体生命情報学

研究実績の概要

精子クロマチンは核凝集過程でその大部分がプロタミンと呼ばれる精子特異的塩基性蛋白に置換されるが、近年僅か（数％）に残存する精子残存ヒストンの機能に注目が集まっている。しかし精子クロマチンは可溶化が困難であることからNGSを用いた解析が難しく、ここ数年相反する報告が出され混沌とした状況である。我々はこの問題を解決して、精子クロマチンにおける残存ヒストンの局在を同定し、その経世代効果を解明することを目的としている。
今年度の成果の概要は以下の通りである
1. 本領域の中核となる技術であるHi-C法を構築した。in situ Hi-C法を用い、コヒーシンの有無、コヒーシンローダーの有無、CTCFの有無が染色体高次構造に与える影響をHeLa細胞で解析したところ、コヒーシン、コヒーシンローダーの欠失は染色体のTADと呼ばれる染色体上の大きな機能ドメインを失わせることが判明した。一方、CTCFの欠失はTADの消失とは無関係であった。現在、細胞周期におけるTADの変動について鋭意解析中である。
2. コヒーシンサブユニットであるSMC3をマウスの脳より特異的にKOし、その影響を調べたところ、有意にKOマウスでは樹状突起が複雑化しており、キノコ型スパインの減少が観察された。また、KOマウスでは不安行動が多く見られた。これらの成果はコヒーシン病患者の自閉症様症状をうまく説明できるかもしれない。本成果はJournal of Experimental Medicine(IF=11.24)に掲載された。
3. in vitroの転写再構成系において、コヒーシンの欠損がRNA PolIIのC末の異常なリン酸化を促進することが判明した。
共同研究については、今井らとHi-C、伊藤、中井とHi-C解析技法についての共同研究を、広田らとはM期における染色体高次構造の研究を展開中である。

現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

Hi-C技法を確立したため、今後、本領域のテーマである染色体の構築原理、OSの理解が加速度的に進むため、現在、班内で共同研究が活発になりつつある。特に、平野・大杉班との共同研究により、精子クロマチンの可溶化の障害となっているプロタミンを人為的に除去することに成功した。これにより、精子クロマチンの殆どを可溶化することができ、各種ヒストン抗体を用いてChIP-seqを行った。その結果、精子残存ヒストンの大部分は非遺伝子領域に局在すること、一方遺伝子領域には特定のヒストン（修飾・バリアント）が局在することを見出している。

今後の研究の推進方策

班内共同研究を拡張し、高次構造DBの充実につなげる。
また、本研究で見出した、遺伝子領域に局在するバリアントは、その機能や生理学的な性質が未知であることから、今後はこのバリアントを中心としたNGS解析および遺伝子改変技術を用いた生理機能の解析を行う予定である。

研究成果

• [国際共同研究] ニュージャージ医科大学/フィラデルフィア小児病院(米国)
  • 国名: 米国
  • 外国機関名: ニュージャージ医科大学/フィラデルフィア小児病院
• [国際共同研究] オックスフォード大学/アバディーン大学/The Francis Crick Institute(英国)
  • 国名: 英国
  • 外国機関名: オックスフォード大学/アバディーン大学/The Francis Crick Institute
  • 他の機関数: 1
• [国際共同研究] カロリンスカ研究所(スウェーデン)
  • 国名: スウェーデン
  • 外国機関名: カロリンスカ研究所
• [国際共同研究] Chung-Aug大学(韓国)
  • 国名: 韓国
  • 外国機関名: Chung-Aug大学
• [国際共同研究] MFPL/IMP(オーストリア)
  • 国名: オーストリア
  • 外国機関名: MFPL/IMP
• [国際共同研究]
  • 他の国数: 4
• [雑誌論文] Identification of a variant-specific phosphorylation of TH2A during spermiogenesis. (2017)
  • 著者名/発表者名: Hada M, Masuda K, Yamaguchi K, Shirahige K, Okada Y.
  • 雑誌名: Sci Rep. 巻: 7 ページ: 46228
  • DOI: 10.1038/srep46228
  • 査読あり
• [雑誌論文] Decreased cohesin in the brain leads to defective synapse development and anxiety-related behavior. (2017)
  • 著者名/発表者名: Fujita Y, Masuda K, Bando M, Nakato R, Katou Y, Tanaka T, Nakayama M, Takao K, Miyakawa T, Tanaka T, Ago Y, Hashimoto H, Shirahige K, Yamashita T.
  • 雑誌名: J Exp Med. 巻: 印刷中 ページ: 印刷中
  • DOI: 10.1084/jem.20161517.
  • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] ChIP-seq Analysis of Condensin Complex in Cultured Mammalian Cells. (2017)
  • 著者名/発表者名: Sakata T, Shirahige K, Sutani T.
  • 雑誌名: Methods Mol Biol. 巻: 1515 ページ: 257-271.
  • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Recent advances in ChIP-seq analysis: from quality management to whole-genome annotation. (2017)
  • 著者名/発表者名: Nakato R, Shirahige K.
  • 雑誌名: Brief Bioinform. 巻: 18(2) ページ: 279-290.
  • DOI: 10.1093/bib/bbw023.
  • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Testis-Specific Histone Variant H3t Gene Is Essential for Entry into Spermatogenesis (2017)
  • 著者名/発表者名: Ueda J., Harada A., Urahama T., Machida S., Maehara K., Hada M., Makino Y., Nogami J., Horikoshi N., Osakabe A., Taguchi H., Tanaka H., Tachiwana H., Yao T., Yamada M., Iwamoto T., Isotani A., Ikawa M., Tachibana T., Okada Y., Kimura H., Ohkawa Y., Kurumizaka H., Yamagata K.
  • 雑誌名: Cell Reports 巻: 18(3) ページ: 593-600
  • DOI: 10.1016/j.celrep.2016.12.065.
  • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Epigenetic modifications and reprogramming in paternal pronucleus: sperm, preimplantation embryo, and beyond. (2017)
  • 著者名/発表者名: Okada Y, Yamaguchi K
  • 雑誌名: Cell Mol Life Sci. 巻: - ページ: -
  • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Chromatin determinants of the inner-centromere rely on replication factors with functions that impart cohesion. (2016)
  • 著者名/発表者名: Abe T, Kawasumi R, Arakawa H, Hori T, Shirahige K, Losada A, Fukagawa T, Branzei D.
  • 雑誌名: Oncotarget. 巻: 7(42) ページ: 67934-67947.
  • DOI: 10.18632/oncotarget.11982.
  • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Attaching Accessory Devices to the Replisome. (2016)
  • 著者名/発表者名: Sutani T, Shirahige K.
  • 雑誌名: Mol Cell. 巻: 63(3) ページ: 347-8
  • DOI: 10.1016/j.molcel.2016.07.017.
  • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Physical Association of Saccharomyces cerevisiae Polo-like Kinase Cdc5 with Chromosomal Cohesin Facilitates DNA Damage Response. (2016)
  • 著者名/発表者名: Pakchuen S, Ishibashi M, Takakusagi E, Shirahige K, Sutani T.
  • 雑誌名: J Biol Chem. 巻: 291(33) ページ: 17228-46.
  • DOI: 10.1074/jbc.M116.727438.
  • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
• [学会発表] Transcriptional regulation by cohesin and its loader (2017)
  • 著者名/発表者名: katsuhiko Shirahige
  • 学会等名: 第9回NAGOYAグローバルリトリート
  • 発表場所: 愛知健康プラザ、愛知県大府市
  • 年月日: 2017-02-10 – 2017-02-11
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] DNA 複製の過去・現在・未来 - ゲノム複製からエピゲノム複製へ (2016)
  • 著者名/発表者名: 白髭克彦
  • 学会等名: 岡崎フラグメント50周年シンポジウム
  • 発表場所: 名古屋大学、愛知県名古屋市
  • 年月日: 2016-12-21 – 2016-12-22
  • 招待講演
• [学会発表] Transcriptional regulation by cohesin and its loader (2016)
  • 著者名/発表者名: katsuhiko Shirahige
  • 学会等名: CdLS symposium
  • 発表場所: アメリカ、フロリダ
  • 年月日: 2016-06-21 – 2016-06-27
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 希少疾患と癌、その共通の分子病態から学ぶ転写伸長因子コヒーシンの役割 (2016)
  • 著者名/発表者名: 白髭克彦
  • 学会等名: 愛知県がんセンター セミナー
  • 発表場所: 愛知県がんセンター、愛知県名古屋市
  • 年月日: 2016-06-10 – 2016-06-10
  • 招待講演
• [学会発表] Genetic Link of Human Rare Diseases Identify Regulatory Mechanism of Transcription by Cohesin and its Loader (2016)
  • 著者名/発表者名: katsuhiko Shirahige
  • 学会等名: CIFAR Genetic Network Workshop
  • 発表場所: カナダ、トロント
  • 年月日: 2016-04-15 – 2016-04-17
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] How cohesin and its loader regulate transcription? Clues from newly identi ed disease andin vitro reconstitution system (2016)
  • 著者名/発表者名: katsuhiko Shirahige
  • 学会等名: トロント大学のセミナー
  • 発表場所: Genetic Link of Human Rare Diseases Identify Regulatory Mechanism of Transcription by Cohesin and its Loader
  • 年月日: 2016-04-14 – 2016-04-14
  • 招待講演
• [備考] 染色体オーケストレーションシステム
  • URL: http://www.chromosomeos.com/
• [学会・シンポジウム開催] The 4th Meeting on GRANT-IN-AID FOR SCIENTIFIC RESEARCH ON INNOVATIVE AREAS “CHROMOSOME ORCHESTRATION SYSTEM (CHROMOSOME OS)” (2017)
  • 発表場所: イギリス、ロンドン
  • 年月日: 2017-02-20 – 2017-02-21